Co zabija moje MOSFETY

22

To jest mój pierwszy post tutaj na temat wymiany stosu elektroniki. Jestem pasjonatem elektroniki i profesjonalistą w programowaniu.

Pracuję na obwodzie cewki indukcyjnej w celu podgrzania przedmiotu obrabianego. Mam działającą konfigurację @ 12Vac. W skrócie mam następujące elementy w obwodzie:

  • Mikrokontroler do generowania impulsów o wartości prądu stałego 50% z własnym zasilaniem, współdzielący grunt z transformatorem zasilającym elektrozawór.
  • 2 tranzystory MOSFET (100Am kontynuuje prąd drenujący, 150 Vds) po niskiej stronie, aby zmienić kierunek prądu, poprzez
  • elektromagnes 3570 nH z 11 zwojami o średnicy ~ 5 cm, wykonany z miedzianej rury o średnicy 1 cm. (Planuje się zastosować chłodzenie wodne przez cewkę jakiś czas później)
  • transformator 230 V na 12 V prądu przemiennego, który może dostarczać do 35 A szczytowych lub 20 A przez pewien czas.
  • Sterownik MOSFET (TC4428A) do sterowania bramami MOSFET
    • rezystor 10K na każdej bramce MOSFET do źródła.
    • Kondensator ceramiczny 1000pF na każdej bramce MOSFET Gate to Source (w celu zmniejszenia dzwonienia na bramkach). Vpkpk wynosi ~ 17 woltów na bramkach

Indukcyjny obieg grzewczy

Teraz obwód jest zwarty, gdy chcę przyłożyć 48 V prądu zmiennego do obwodu za pomocą spawarki, którą MOSFET byłby w stanie obsłużyć (48 V prądu przemiennego = ~ 68 V DC * 2 = ~~ 136 Vpkpk). Nic nie wybucha, MOSFET-y są w jednym kawałku. Ale rezystancja między pinami MOSFETS (bramka, źródło, drenaż <-> bramka, źródło, drenaż) są wszystkie 0 lub bardzo niskie (<20 omów). Więc się zepsuli.

Co spowodowało awarię moich MOSFETÓW? Trudno zbadać obwód, gdy umierają komponenty.

Mój sprzęt składa się wyłącznie z oscyloskopu i mutlimetru.


Dzwonienie na bramkach bez C2 i C3, gdy elektromagnes nie był zasilany.  Dzielenie wspólnej płaszczyzny

Dzwonienie na bramkach bez C2 i C3, gdy elektromagnes nie był zasilany. Dzielenie wspólnej płaszczyzny z transformatorem. Przewody z MCU do sterownika TC4428A mają, powiedzmy, 5 cm. Od sterownika do bram, przewody mają ~ 15 cm. Czy to powoduje dzwonienie? przewody o długości ~ 2 mm, gdy są używane od sterownika TC4428A do bram.


Tłumione dzwonienie na bramkach z C2 i C3, podczas gdy elektromagnes nie był zasilany.  Dzielenie wspólnej płaszczyzny.

Tłumione dzwonienie na bramkach z C2 i C3, podczas gdy elektromagnes nie był zasilany. Dzielenie wspólnej płaszczyzny. Wygląda znacznie lepiej niż pierwsze zdjęcie.


Dzwonienie na bramie, gdy elektromagnes był zasilany

Dzwonienie na bramie, gdy elektromagnes był zasilany. Dlaczego dzwonienie jest zwiększane po włączeniu elektromagnesu i jak temu zapobiec / naśladować je, utrzymując prędkość przełączania?


Pomiar źródła do spuszczenia z obrabianym przedmiotem w elektromagnesie @ ~ 150 Khz

Pomiar źródła do spuszczenia z obrabianym przedmiotem w elektromagnesie @ ~ 150 Khz. Pokazany na ostatnim zdjęciu, jeśli sygnał byłby czysty, dałby Vpkpk ~ 41 woltów. Ale z powodu skoków wynosi około ~ 63 woltów.


Czy to drugie z 150% over / undershoort Vpkpk byłoby problemem? Czy spowodowałoby to (48Vac => 68Vmax => 136Vpkpk * 150% =) ~ 203Vpkpk? Jak zredukować szum fal mierzony na źródle -> Odpływ?

EDYCJA wprowadź opis zdjęcia tutaj Tutaj odłączyłem jedną bramkę MOSFET od sterownika. CH1 to bramka, CH2 to drenaż MOSFET-a, który wciąż był podłączony. Teraz obie fale wyglądają dobrze. Nie płynął / nie płynął minimalny prąd. Kiedy podłączam oba MOSFET-y do sterownika i mierzę rezystancję między dwiema bramkami, mówi 24,2 k Ohm. Czy to możliwe, że jeśli jeden MOSFET zostanie wyłączony przez sterownik TC4428A, to w jakiś sposób nadal odbiera sygnał z drugiej bramki MOSFET, gdy jest on włączany przez sterownik? Czy sensowne jest umieszczenie takiej diody, Driver --->|---- Gateaby upewnić się, że nie ma hałasu? Korzystnie dioda o niskim spadku napięcia oczywiście.

Mike de Klerk
źródło
3
Dodałbym diodę równolegle z cewkami jako napęd ze źródła prądu stałego. Kopnięcie indukcyjne jest prawdopodobnie większe i ostrzejsze niż pokazuje celownik.
Łyżka
Co tak naprawdę mierzysz na tych wykresach, nie jest jasne, do którego punktu w obwodzie się odnoszą? Jeżeli nie dzwoni na bramie dodać niewielką rezystor szeregowo z kierowcą (10-100 omów)
pjc50
@ m.Alin Czy to również realne rozwiązanie dla równoległego obwodu LC? Nie mam doświadczenia z tłumikami, a znajdowanie RLC tylko w seriach z przykładami tłumaczy.
Mike de Klerk
@ Łyżka Prawdopodobnie masz rację, szczyty są strome, a rozdzielczość wykresów nie jest tak wysoka.
Mike de Klerk
1
@Mike Nie bardzo; musisz użyć diod.
m.Alin

Odpowiedzi:

24

Od sterownika do bram, przewody mają ~ 15 cm. Czy to powoduje płukanie?

Niemal na pewno i jest to uczciwy zakład, że niszczy to MOSFET, przez jeden lub więcej z tych mechanizmów:

  1. przekroczenie nawet przez najkrótszą chwilęV.sol(mzax)
  2. przekroczenieV.reS.(mzax)
  3. proste przegrzanie z powodu wolnego przełączania i niezamierzonego przewodzenia

# 3 powinno być dość oczywiste, kiedy to nastąpi, ale pozostałe dwa mogą być trudne do zauważenia, ponieważ są to warunki przejściowe, które mogą być zbyt krótkie, aby były widoczne na lunecie.

C2 i C3 nie zmniejszają dzwonienia. Dostajesz dzwonienie na bramkach, ponieważ pojemność bramki MOSFET (i C2, C3, które ją dodają) plus indukcyjność utworzona przez pętlę drutu przez sterownik i źródło bramki MOSFET tworzą obwód LC . Dzwonienie jest spowodowane odbijaniem energii między tą pojemnością a indukcyjnością.

Powinieneś umieścić sterownik absolutnie jak najbliżej MOSFETÓW. 1 cm już robi się za długi. Indukcyjność wytworzona przez długi ślad do bramki powoduje dzwonienie, ale ogranicza prędkość przełączania, co oznacza większe straty w tranzystorach. Wynika to z faktu, że szybkość zmiany prądu jest ograniczona indukcyjnością :

vL.=rejaret

Ponieważ jest napięcie dostarczane przez sterownik bramy i nie można zrobić, że każdy większy, czas potrzebny, aby zwiększyć prąd z niczego do czegoś jest ograniczona przez indukcyjności . Chcesz, aby prąd wyniósł jak najwięcej, tak szybko, jak to możliwe, abyś mógł szybko przełączyć tranzystor.L.vL.

Oprócz zbliżenia sterownika bramki do MOSFETów, chcesz zminimalizować obszar pętli ścieżki, którą musi pokonać prąd przez bramkę:

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab

Indukcyjność jest proporcjonalna do pokazanego obszaru.

Indukcyjność ogranicza prędkość przełączania, a także ogranicza, jak dobrze sterownik bramy może wyłączyć MOSFET. Ponieważ napięcie drenażu na MOSFET, który właśnie wyłączył, zmienia się (z powodu włączenia drugiego MOSFET i wzajemnej indukcyjności cewek), sterownik bramki musi pobierać lub pochłaniać prąd jako wewnętrzne pojemności ładunku lub rozładowania MOSFET. Oto ilustracja z International Rectifier - Power MOSFET Basics :

schemat pojemności i prądu MOSFET

W twoim przypadku, jeśli ślady bramki są długie, wówczas jest również induktorem. Ponieważ cewka indukcyjna ogranicza , sterownik bramki może reagować tak szybko na te prądy, a następnie dochodzi do znacznego dzwonienia i przekroczenia rezonansu między indukcyjnością śledzenia bramki a pojemnością MOSFET-a. Twoje C2 i C3 służą jedynie do zmiany częstotliwości tego rezonansu. d i / d tRsolreja/ret

Kiedy napięcie bramki dzwoni, czasem przechodzi przez twojego MOSFETA, a jeden zaczyna przewodzić trochę, kiedy powinien być wyłączony. Zmienia to prąd i napięcie podłączonego cewki indukcyjnej, która jest sprzężona z drugim cewką, co wprowadza te prądy pojemnościowe do drugiego MOSFET, co może tylko zaostrzyć problem. Ale gdy cewki nie są zasilane, napięcie drenu wynosi 0 V niezależnie od przełączania tranzystora, a te prądy pojemnościowe (i w konsekwencji całkowity ładunek bramki, który należy przesunąć, aby przełączyć tranzystor) są znacznie mniejsze, więc widzieć znacznie mniej dzwonienia.V.th

Indukcyjność ta może być również sprzężona magnetycznie z innymi indukcyjnościami, takimi jak cewki elektromagnetyczne. Gdy strumień magnetyczny przez pętlę zmienia się, indukowane jest napięcie ( prawo indukcji Faradaya ). Zminimalizuj indukcyjność, a zminimalizujesz to napięcie.

Pozbądź się C2 i C3. Jeśli po poprawieniu układu nadal musisz zmniejszyć dzwonienie, zrób to, dodając rezystor szeregowo z bramą, między bramą a sterownikiem bramki. To pochłonie energię odbijającą się wokół, co powoduje dzwonienie. Oczywiście ograniczy to również prąd bramki, a tym samym prędkość przełączania, więc nie chcesz, aby rezystancja była większa niż absolutnie konieczna.

Możesz również ominąć dodany rezystor za pomocą diody lub tranzystora, aby umożliwić szybsze wyłączenie niż włączenie. Tak więc jedna z tych opcji (ale tylko w razie potrzeby; zdecydowanie lepiej po prostu wyeliminować źródło dzwonienia):

schematyczny

zasymuluj ten obwód

Zwłaszcza w ostatnim przypadku z Q3 zasadniczo zaimplementowałeś połowę sterownika bramki, więc obowiązują te same obawy związane z utrzymywaniem krótkiego śladu i małym obszarem pętli.

Phil Frost
źródło
Zdecydowanie zamierzam przenieść sterownik MOSFET (TC4428A) pomiędzy dwa tranzystory MOSFET, aby były jak najbliżej. Może myślałem, że uda mi się uzyskać dłuższe przewody: D
Mike de Klerk
Dodałem diodę ze źródła ---> | - Drenaż, jeśli ma to sens jako dioda wolnobiegowa, aby zapobiec odwróceniu potencjału na tranzystorach MOSFET. Zapomniałem narysować go na schematach.
Mike de Klerk
Na elektrozaworze nie mam diody tłumiącej. Elektrozawór jest wykonany ręcznie z rury miedzianej. Jak mógłbym to dopasować do tego obwodu? Dziękuję za pomoc.
Mike de Klerk
@MikedeKlerk dioda ze źródła do drenu na tranzystorach MOSFET nic nie dodaje, ponieważ już je mają . Będę edytować, aby dodać, gdzie powinna iść dioda.
Phil Frost
1
@PhilFrost diody tłumiące, jak pokazano, nie będą działać. Pomyśl o tym - jeśli dwa cewki indukcyjne są idealnie połączone, gdy jeden FET się włącza, napięcie w obwodzie otwartym zwiększa się dwukrotnie do napięcia zasilania. Będziesz potrzebował diody plus Zenera, gdzie Zener powraca do dodatniej szyny zasilania i ma Vbr co najmniej Vsupply.
Andy alias
4

Aby prawidłowo zlikwidować napięcia na odpływach FET do rozsądnej wartości, należy wziąć pod uwagę: -

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Naturalnym działaniem dwóch cewek (jeśli występuje jakiekolwiek znaczące sprzężenie magnetyczne między dwiema połówkami cewki) jest wytwarzanie podwójnego napięcia zasilania na każdym drenu w naprzemiennych cyklach.

To jest jak piła z punktem środkowym (V), który się nie porusza. Pociągnij jedną połowę w dół, a druga unosi się poprzez działanie transformatora.

To oczywiście oznacza, że ​​tranzystory polowe muszą mieć co najmniej dwukrotność napięcia zasilającego, w przeciwnym razie będą się smażyć. Ponieważ sprzężenie nie jest idealne, diody Zenera wychwytują wszystko powyżej dwukrotności Vsupply.

Zalecenia - wybierz FET o napięciu 3 x napięcie zasilania i diody Zenera o napięciu zasilania. Co najmniej 5 W diody Zenera. Całkowicie pozbądź się kondensatora 330nF - jeśli uważasz, że to w jakiś sposób dostroi emitowane pole magnetyczne, pomyśl jeszcze raz, ponieważ po prostu zabija FET impulsem prądu. Może 1nF jest po prostu do zniesienia. Zbierz wszystkie połączenia tak krótko, jak to możliwe - indukcyjna rozproszenie przewodów może również zabijać, a przynajmniej dać te osobliwe napięcia dzwonka bramki, chociaż prawdopodobne jest, że są one spowodowane przez sterowniki bramek FET o niewystarczających możliwościach napędu - w efekcie napięcie na odpływ jest sprzężony z powrotem z bramą przez wewnętrzną pojemność pasożytniczą i zapobiega czystemu włączaniu i wyłączaniu.

Andy aka
źródło
Dziękuję za Twój wkład. Właściwie mam kilka pytań. Po co zmieniać wartość 330nf na 1nf (C1) lub w ogóle się jej pozbyć? Ten kondensator sprawia, że ​​rezonuje. A przy 150 Khz źródła obwodu <1 amper bez przedmiotu obrabianego. Więc jest cicho wydajny. Jak widać tutaj calctool.org/CALC/eng/electronics/RLC_circuit, jeśli zmienimy C1 na 1nF, jego częstotliwość rezonansowa wzrośnie do 2,6 MHz. MCU nie jest w stanie wytworzyć ładnej fali blokowej powyżej ~ 500 Khz, a częstotliwość ogrzewania indukcyjnego zwykle wynosi <~ 250 Khz.
Mike de Klerk
@Mike de Klerk. Ten rodzaj mostka push-pull absolutnie nie jest kompatybilny z rezonansowym pierwotnym - jeśli prowadziłeś równoległy obwód rezonansowy falami kwadratowymi, harmoniczne fali kwadratowej są wystarczająco zwarte przez działanie kondensatora - wyrzucasz energię w coś, co tylko zamienia się w ciepło. Spodziewałbym się, że obwód ten będzie pobierał około 50 mA po rozładowaniu. Co próbujesz osiągnąć?
Andy aka
Komercyjne płyty kuchenne wykorzystują kondensator rezonansowy, taki jak C1. C1 Używam jest faktycznie wzięty z jednego. Zobacz openschemes.com/2010/11/11/1800w-induction-cooktop-teardown Wewnątrz znajduje się jeden IGBT, a cewka jest zasilana z jednej strony, a nie ze środka. Dzięki zastosowaniu C1 obwód jest faktycznie bardziej wydajny, ponieważ energia odbija się „w górę i w dół” przez elektrozawór. Gdyby nie było kondensatora. Energia po prostu opuściłaby cewkę, zamiast być zachowana w C1. Energia zgromadzona w C1 jest ponownie wykorzystywana, gdy otwiera się drugi MOSFET. Ale musi być w rezonansie, w przeciwnym razie obwód jest nieefektywny.
Mike de Klerk
Staram się osiągnąć wysoki prąd, który zmienia kierunek, aby stworzyć zmienne pole magnetyczne, które zmienia biegunowość. To indukuje ciepło w detalu (rdzeń w cewce), aby (miejmy nadzieję) osiągnąć temperaturę Curie, która jest wystarczająco wysoka, aby stopić aluminium, abym mógł go odlać.
Mike de Klerk
Zasilanie cewki z jednej strony robi różnicę - teraz masz pierwiastek, który można rezonować i również skutecznie. Po prostu przykładasz impuls w odpowiednim momencie, aby wepchnąć energię do dostrojonego obwodu LC, a on nadal działa. Pomyśl o problemie z push-pull - jeden induktor jest zawsze podłączony do Vsupply i uziemiony - to nigdy nie może być fala sinusoidalna. Single-ended to ten sam sposób, w jaki działają detektory metali dużej mocy, które widziałem.
Andy aka